(57)【要約】種々の実施形態では、本発明は、レーザダイオードおよびレーザダイオードバー等のレーザデバイスに関し、具体的には、そのようなレーザデバイスをパッケージ化するための装置に関する。種々の実施形態では、ダイオードバー等のレーザエミッタは、動作の間、その上にレーザエミッタが位置付けられる冷却器内のポートによって形成される冷却流体の噴射を介して冷却される。噴射は、レーザエミッタに熱的に結合されるが、冷却流体とレーザエミッタ自体との間の直接接触を防止する、冷却器の衝突表面に衝打する。
2019526165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパッケージであって、
底部アノード冷却器であって、前記底部アノード冷却器は、少なくとも部分的にそれを通して複数のポートを画定しており、前記複数のポートは、それを通して冷却流体の噴射を形成するためのものである、底部アノード冷却器と、
前記底部アノード冷却器の上方に配置された上部アノード冷却器であって、前記上部アノード冷却器は、（ｉ）レーザエミッタをその上に受容するためのレーザプラットフォームを含み、かつ、（ｉｉ）陥凹をその中に画定しており、前記陥凹は、（ａ）前記レーザプラットフォームの真下に配置され、かつ、（ｂ）前記底部アノード冷却器のポートに面する衝突表面を有しており、それによって、前記底部アノード冷却器の中に導入され、前記ポートを通して噴射される冷却流体は、前記上部アノード冷却器の衝突表面に衝打し、前記レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタを冷却する、上部アノード冷却器と
を含む、パッケージ。
【請求項２】
前記底部アノード冷却器または前記上部アノード冷却器のうちの少なくとも１つの少なくとも一部は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ＣｕＷ、タングステン、ＷＣ、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、またはＳｉＣのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項３】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターンを画定する、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項４】
前記パターンは、複数のディンプル、複数の溝、または複数のスタッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項３に記載のパッケージ。
【請求項５】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定する、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項６】
（ｉ）前記上部アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器をさらに含み、前記カソード冷却器の一部は、懸架され、前記上部アノード冷却器のレーザプラットフォームに接触しない、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項７】
前記ポートは、前記衝突表面から離間され、混合チャネルを形成し、前記底部アノード冷却器を通して、（ｉ）前記ポートを通して前記混合チャネルの近位端の中に前記冷却流体を伝導させるための入口ラインと、（ｉｉ）前記混合チャネルの遠位端から前記冷却流体を伝導させるための出口ラインとをさらに含む、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項８】
前記混合チャネルは、約０．０１ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲から選択された高さを有する、請求項７に記載のパッケージ。
【請求項９】
前記ポートの中心間間隔は、約０．１ｍｍ〜約８ｍｍの範囲から選択される、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１０】
前記ポートのうちの少なくとも１つの直径は、約０．０２５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲から選択される、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１１】
前記ポートのうちの少なくとも１つの直径に対する前記混合チャネルの高さの比は、約０．１〜約３０の範囲から選択される、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１２】
前記上部アノード冷却器または前記底部アノード冷却器のうちの少なくとも１つの熱膨張係数は、約０．５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲から選択される、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１３】
前記レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタをさらに含む、請求項１に記載のパッケージ。
【請求項１４】
前記レーザエミッタは、複数のビームを放出するように構成されるレーザダイオードバーを含む、請求項１３に記載のパッケージ。
【請求項１５】
波長ビーム組み合わせレーザシステムであって、
複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学素子と、
集束ビームを受信し、前記受信された集束ビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して多波長出力ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と、
底部アノード冷却器であって、前記底部アノード冷却器は、少なくとも部分的にそれを通して複数のポートを画定し、前記複数のポートは、それを通して冷却流体の噴射を形成するためのものである、底部アノード冷却器と、
前記底部アノード冷却器の上方に配置された上部アノード冷却器であって、前記上部アノード冷却器は、（ｉ）前記ビームエミッタをその上に受容するためのレーザプラットフォームを含み、かつ、（ｉｉ）陥凹をその中に画定しており、前記陥凹は、（ａ）前記レーザプラットフォームの真下に配置され、かつ、（ｂ）前記底部アノード冷却器のポートに面する衝突表面を有しており、それによって、前記底部アノード冷却器の中に導入され、前記ポートを通して噴射される冷却流体は、前記上部アノード冷却器の衝突表面に衝打し、前記レーザプラットフォーム上に配置されるビームエミッタを冷却する、上部アノード冷却器と
を含む、レーザシステム。
【請求項１６】
前記分散要素は、回折格子を含む、請求項１５に記載のレーザシステム。
【請求項１７】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターンを画定する、請求項１５に記載のレーザシステム。
【請求項１８】
前記パターンは、複数のディンプル、複数の溝、または複数のスタッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のレーザシステム。
【請求項１９】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定する、請求項１５に記載のレーザシステム。
【請求項２０】
（ｉ）前記上部アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器をさらに含み、前記カソード冷却器の一部は、懸架され、前記上部アノード冷却器のレーザプラットフォームに接触しない、請求項１５に記載のレーザシステム。
【請求項２１】
レーザパッケージであって、
アノード冷却器と、
その上にレーザエミッタを受容するためのレーザプラットフォームと、
前記アノード冷却器と前記レーザプラットフォームとの間の混合チャネルであって、前記混合チャネルは、前記レーザプラットフォームと熱接触する衝突表面と、前記混合チャネルを横断して前記衝突表面と反対側の噴射アレイとを含み、前記噴射アレイは、それを通して冷却流体の噴射を形成するための複数のポートを含み、それによって、前記アノード冷却器の中に導入され、前記ポートを通して噴射される冷却流体は、前記衝突表面に衝打し、前記レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタを冷却する、混合チャネルと
を含む、パッケージ。
【請求項２２】
前記アノード冷却器の少なくとも一部は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ＣｕＷ、タングステン、ＷＣ、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、ＳｉＣのうちの少なくとも１つを含む、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項２３】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記噴射の冷却効果を向上させるためのパターンを画定する、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項２４】
前記パターンは、複数のディンプル、複数の溝、または複数のスタッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項２３に記載のパッケージ。
【請求項２５】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定する、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項２６】
（ｉ）前記アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器をさらに含み、前記カソード冷却器の一部は、懸架され、前記アノード冷却器のレーザプラットフォームに接触しない、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項２７】
前記混合チャネルは、約０．０１ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲から選択された高さを有する、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項２８】
前記ポートの中心間間隔は、約０．１ｍｍ〜約８ｍｍの範囲から選択される、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項２９】
前記ポートのうちの少なくとも１つの直径は、約０．０２５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲から選択される、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項３０】
前記ポートのうちの少なくとも１つの直径に対する前記混合チャネルの高さの比は、約０．１〜約３０の範囲から選択される、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項３１】
前記アノード冷却器の熱膨張係数は、約０．５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲から選択される、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項３２】
前記レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタをさらに含む、請求項２１に記載のパッケージ。
【請求項３３】
前記レーザエミッタは、複数のビームを放出するように構成されるレーザダイオードバーを含む、請求項３２に記載のパッケージ。
【請求項３４】
波長ビーム組み合わせレーザシステムであって、
複数の離散ビームを放出するビームエミッタと、
前記複数のビームを分散要素上に集束させるための集束光学素子と、
集束ビームを受信し、前記受信された集束ビームを分散させるための分散要素と、
部分反射出力結合器であって、前記部分反射出力結合器は、前記分散されたビームを受信し、前記分散されたビームの一部をそれを通して多波長出力ビームとして伝送し、前記分散されたビームの第２の部分を前記分散要素に向かって反射させるように位置付けられる、部分反射出力結合器と、
アノード冷却器と、
その上に前記ビームエミッタを受容するためのレーザプラットフォームと、
前記アノード冷却器と前記レーザプラットフォームとの間の混合チャネルであって、前記混合チャネルは、前記レーザプラットフォームと熱接触する衝突表面と、前記混合チャネルを横断して前記衝突表面と反対側の噴射アレイとを含み、前記噴射アレイは、それを通して冷却流体の噴射を形成するための複数のポートを含み、それによって、前記アノード冷却器の中に導入され、前記ポートを通して噴射される冷却流体は、前記衝突表面に衝打し、前記レーザプラットフォーム上に配置されるビームエミッタを冷却する、混合チャネルと
を含む、レーザシステム。
【請求項３５】
前記分散要素は、回折格子を含む、請求項３４に記載のレーザシステム。
【請求項３６】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターンを画定する、請求項３４に記載のレーザシステム。
【請求項３７】
前記パターンは、複数のディンプル、複数の溝、または複数のスタッドのうちの少なくとも１つを含む、請求項３６に記載のレーザシステム。
【請求項３８】
前記衝突表面の少なくとも一部は、前記レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定する、請求項３４に記載のレーザシステム。
【請求項３９】
（ｉ）前記アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器をさらに含み、前記カソード冷却器の一部は、懸架され、前記レーザプラットフォームに接触しない、請求項３４に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１６年６月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／３５２，２３９号の利益およびそれに対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の全開示は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
種々の実施形態では、本発明は、レーザダイオードおよびレーザダイオードバー等のレーザデバイスに関し、具体的には、そのようなレーザデバイスをパッケージ化するための装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
高出力レーザシステムは、溶接、切断、穿孔、および材料加工等の異なる用途のホストに利用される。そのようなレーザシステムは、典型的には、そこからのレーザ光が光ファイバ（または単純に「ファイバ」）の中へ結合される、レーザエミッタと、ファイバから処理される加工対象物上にレーザ光を集束させる光学システムとを含む。波長ビーム結合（ＷＢＣ）は、レーザダイオード、レーザダイオードバー、ダイオードバーのスタック、または１次元アレイまたは２次元アレイに配列される他のレーザからの出力電力および輝度をスケーリングするための技法である。ＷＢＣ方法は、エミッタのアレイの一方または両方の次元に沿ってビームを組み合わせるように開発されてきた。典型的ＷＢＣシステムは、多波長ビームを形成するように分散要素を使用して組み合わせられる、１つ以上のダイオードバー等の複数のエミッタを含む。ＷＢＣシステム内の各エミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿って分散要素によってフィルタ処理される、共通部分反射出力結合器からの波長特異的フィードバックを通して安定させられる。例示的ＷＢＣシステムは、それぞれの開示全体が参照することによって本明細書に組み込まれる、２０００年２月４日に出願された米国特許第６，１９２，０６２号、１９９８年９月８日に出願された米国特許第６，２０８，６７９号、２０１１年８月２５日に出願された米国特許第８，６７０，１８０号、および２０１１年３月７日に出願された米国特許第８，５５９，１０７号で詳述される。
【０００４】
ＷＢＣ等の技法は、様々な用途のためのレーザベースのシステムの生産において成功を収めているが、そのようなシステムのより広範な採用は、これまでより高いレベルのレーザ出力電力の需要をもたらしている。典型的には、より高いレーザ電力は、ますますより高い電流におけるレーザダイオードの駆動を伴い、これは、より高い動作温度と、同時に、温度ベースの信頼性問題を防止することを狙いとした熱管理問題とをもたらす。高出力レーザシステムのためのレーザは、例えば、２０１５年３月２４日に出願された米国特許第９，１７８，３３３号（全開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明されるように、それを通した冷却流体の流動のための封入された通路を画定し得る、高度に熱伝導性のマウントを利用してパッケージ化されている。しかしながら、そのような解決策でさえ、高出力レーザシステムにおいて生じる熱管理問題の全てに完全に対処しない場合がある。さらに、機械的安定性、応力、および腐食（例えば、冷却流体によって生じる）等のパッケージ化関連問題が、高出力レーザシステム内で生じ得る。したがって、そのようなデバイスのための熱的、機械的、および電気的必要性に対処する、高出力レーザのための改良されたパッケージ化システムの必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，１９２，０６２号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２０８，６７９号明細書
【特許文献３】米国特許第８，６７０，１８０号明細書
【特許文献４】米国特許第８，５５９，１０７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によると、レーザダイオードバー等のレーザエミッタは、デバイスの機械的、熱的、および電気的性能を改良するために考案されたマルチ構成要素パッケージとともに利用される。本発明の実施形態は、レーザエミッタのための２つの部品から成るアノード冷却器を特徴とする。すなわち、アノード冷却器の２つの部分は、レーザエミッタの液体冷却の有効性を最適化するために設計される一方、また、腐食および機械的変形等の有害な影響にも抵抗する。本発明の実施形態はまた、レーザエミッタにわたって配置され、付加的熱をレーザエミッタから離れるように伝導させ、デバイスの熱特性をさらに改良する、随意のカソード冷却器を含んでもよい。
【０００７】
種々の実施形態では、アノード冷却器は、底部アノード冷却器と、それにわたって配置され、レーザエミッタと直接接触する、上部アノード冷却器とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。底部アノード冷却器は、冷却流体（例えば、水）をレーザエミッタの直下にある上部アノード冷却器の受容部分に向かって上向きに指向する、貫通孔またはノズルのアレイを特徴とする、能動的冷却部分を含んでもよい。上部アノード冷却器の本部分上への冷却流体の衝突は、レーザエミッタの動作の間、温度制御を提供する。冷却は、動作の間、レーザエミッタのより低い接合部温度を可能にし、それによって、デバイスの改良された信頼性を提供し、および／またはより高い電力出力のための高電流レベルにおいてレーザエミッタの動作を可能にする。
【０００８】
上部アノード冷却器の受容部分の下面は、底部アノード冷却器から発出し、上部アノード冷却器上に衝突する、冷却噴射の有効性を改良するために修正されてもよい。例えば、上部アノード冷却器の本衝突表面は、それを通して対流が生じる接触の面積を増加させ、冷却流体から冷却乱流への遷移を加速させ、冷却流体の混合および循環を促進し、および／または冷却流体噴射内の任意の境界層を崩壊させるように、非平面である、および／またはテクスチャ加工または成形されてもよい。例えば、衝突表面は、デバイスの熱性能を改良するために、スタッド、溝、および／またはディンプルのパターンを組み込んでもよい。上部アノード冷却器はまた、パターン化された衝突表面によって生成された減少された熱抵抗を実質的に維持しながら、上部アノード冷却器の機械的強度（例えば、機械的変形へのその抵抗）を改良する、補強支柱を組み込んでもよい。そのような支柱は、衝突表面の少なくとも一部を非常に薄くさせ、それによって、上層レーザエミッタの冷却を改良してもよい。
【０００９】
種々の実施形態では、上部および底部アノード冷却器または冷却流体が直接接触する少なくともその一部は、移動冷却流体に起因する浸食および冷却流体との反応によって生じる腐食の両方に抵抗する、１つ以上の材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。例えば、本発明の実施形態は、約１０ｍ／秒またはさらにより高い速度で進行する冷却流体の噴射を利用し得、そのような高速流体（例えば、水）は、アルミニウムまたは銅等の従来のヒートシンク材料を浸食および／または腐食させ得る。これらの材料はまた、好ましくは、機械的に強固かつ剛性であって、動作、パッケージ化、および保管の間、変形に抵抗し、かつ少なくとも幾分電気的伝導性である。材料はまた、好ましくは、レーザエミッタ自体の材料のものに実質的に合致する、熱膨張係数（ＣＴＥ）、例えば、ＧａＡｓ（ＣＴＥ６〜８ｐｐｍ）またはＩｎＰ（ＣＴＥ４〜５ｐｐｍ）を有する。種々の実施形態では、上部および／または底部アノード冷却器の材料は、約０．５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍに及ぶＣＴＥを有し、それによって、レーザデバイスの動作の間の低サイクル疲労およびパッケージ化プロセス自体の間の低応力を可能にする。例示的実施形態では、上部および／または底部アノード冷却器の全部または一部は、銅およびタングステンの合金（ＣｕＷ）、タングステン、炭化タングステン（ＷＣ）、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の１つ以上の材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。種々の実施形態では、上部および／または底部アノード冷却器の全部または一部は、アルミニウム、銅、またはステンレス鋼等の別の材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成り、上部および／または底部アノード冷却器の少なくとも一部は、ＣｕＷ、タングステン、ＷＣ、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、またはＳｉＣ等の１つ以上の材料のコーティングでコーティングされる。
【００１０】
本明細書で利用されるように、高熱伝導性を伴う材料、すなわち、「熱的伝導性材料」は、少なくとも１００ワット／メートル／ケルビン（Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１）、少なくとも１７０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１、またはさらに少なくとも３００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１の熱伝導性を有する。本明細書で利用されるように、高電気伝導性を伴う材料、すなわち、「電気的伝導性材料」は、例えば、２０℃で、少なくとも１×１０５ジーメンス／メートル（Ｓ／ｍ）、少なくとも１×１０６Ｓ／ｍ、またはさらに少なくとも１×１０７Ｓ／ｍの電気伝導性を有する。本明細書で利用されるように、高電気抵抗率を伴う材料、すなわち、「電気的絶縁材料」は、少なくとも１×１０８オーム・メートル（Ω・ｍ）、少なくとも１×１０１０Ω・ｍ、またはさらに少なくとも１×１０１２Ω・ｍの電気抵抗率を有する。
【００１１】
本発明の実施形態によるレーザデバイスは、高輝度低ビームパラメータ製品（ＢＰＰ）レーザシステムを形成するためにＷＢＣシステム内で利用されてもよい。ＢＰＰは、最狭点（すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ）におけるレーザビームの発散角度（半角度）とビームの半径の積である。ＢＰＰは、レーザビームの品質および小スポットに集束され得る程度を定量化し、典型的には、ミリメートル−ミリラジアン（ｍｍ−ｍｒａｄ）の単位で表される。ガウスビームは、ｐｉによって除算されるレーザ光の波長によって与えられる、最低可能ＢＰＰを有する。同一波長における理想的ガウスビームのものに対する実際のビームのＢＰＰの比は、Ｍ２、すなわち、「ビーム品質係数」で示され、これは、ビーム品質の波長独立測定値であって、「最良」品質は、「最低」ビーム品質係数１に対応する。
【００１２】
当業者に公知のように、レーザは、概して、光の誘導放出を通して可視または不可視光を発生させる、デバイスとして画定される。レーザは、概して、前述のように、それらを種々の用途において有用にする性質を有する。一般的レーザタイプは、半導体レーザ（例えば、レーザダイオードおよびダイオードバー）、ソリッドステートレーザ、ファイバレーザ、およびガスレーザを含む。レーザダイオードは、概して、光子（光）の放出を支援する、単純ダイオード構造に基づく。しかしながら、効率、電力、ビーム品質、輝度、調整性、および同等物を改良するために、本単純構造は、概して、種々の多くの実践的タイプのレーザダイオードを提供するために修正される。レーザダイオードタイプは、数ミリワットから最大約０．５ワットの出力電力から、高ビーム品質を伴うビームを発生させる、小端面放射型変形例を含む。構造タイプのダイオードレーザは、２つの高バンドギャップ層間に挟入される低バンドギャップ材料の層を含む、二重ヘテロ構造レーザ、レーザのエネルギーの高効率性および量子化をもたらす、非常に薄い中央層（量子井戸層）を含む、量子井戸レーザ、利得特性を改良する１つを上回る量子井戸層を含む、複数の量子井戸レーザ、中央層とより高い効率の量子井戸レーザを生産するワイヤまたはドットとを置換する、量子ワイヤまたは量子波（ドット）レーザ、量子層の厚さを改変することによって調整され得る、比較的に長い波長においてレーザ作用を可能にする、量子カスケードレーザ、最も一般的な商業用レーザダイオードであって、量子井戸層の上方および下方に別の２つの層を含み、生産された光を効率的に閉じ込める、別個の閉じ込めヘテロ構造レーザ、高需要光学通信用途において一般に使用され、単一波長を利得領域に反射させることによって、製造の間、安定波長セットの発生を促進する、統合された回折格子を含む、分散型フィードバックレーザ、光が、その縁からではなく、その表面から放出されるという点において他のレーザダイオードと異なる構造を有する、垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、および主に、二重ヘテロ構造ダイオードを使用し、格子または複数のプリズム格子構成を含む、波長可変レーザである、垂直外部共振器面発光型レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）および外部共振器ダイオードレーザを含む。外部共振器ダイオードレーザは、多くの場合、波長調整可能であって、小放出線幅を呈する。レーザダイオードタイプはまた、長円出力ファセットを伴うマルチモードダイオードによって特徴付けられ、概して、不良ビーム品質を有するが、数ワットの電力を発生させる、広面積レーザ、広面積レーザと比較して改良されたビーム品質および輝度を呈するテーパ状出力ファセットを伴う非点収差モードダイオードによって特徴付けられる、テーパ状レーザ、卵形出力ファセットを伴う楕円形モードダイオードによって特徴付けられる、リッジ導波管レーザ、および出力ファセットを伴う円形モードダイオードによって特徴付けられ、略円形プロファイルを伴う回折限界ビーム内にワットレベル出力を発生させ得る、スラブ結合光学導波管レーザ（ＳＣＯＷＬ）を含む、種々の高出力ダイオードベースのレーザを含む。
【００１３】
ダイオードレーザバーは、広面積エミッタの１次元アレイを含有する、または代替として、例えば、１０〜２０の狭ストライプエミッタを含有するサブアレイを含有するタイプの半導体レーザである。広面積ダイオードバーは、典型的には、それぞれ、例えば、約１μｍ×１００μｍの寸法を有する、例えば、１９〜４９のエミッタを含有する。１μｍ寸法または高速軸に沿ったビーム品質は、典型的には、回折限界される。１００μｍ寸法または低速軸またはアレイ寸法に沿ったビーム品質は、典型的には、多数回回折限界される。典型的には、商業用用途のためのダイオードバーは、長さ約１〜４ｍｍのレーザ共振器を有し、幅約１０ｍｍであって、数十ワットの出力電力を発生させる。大部分のダイオードバーは、７８０〜１０７０ｎｍの波長領域内で動作し、波長８０８ｎｍ（ネオジムレーザを励起するため）および９４０ｎｍ（Ｙｂ：ＹＡＧを励起するため）が、最も顕著である。９１５〜９７６ｎｍの波長範囲は、エルビウムドープまたはイッテルビウムドープ高出力ファイバレーザおよび増幅器を励起するために使用される。
【００１４】
本発明の実施形態は、１つ以上の入力レーザビーム（例えば、本明細書に詳述されるようにパッケージ化されるレーザデバイスによって放出される）を光ファイバの中に結合する。種々の実施形態では、光ファイバは、単一のコアを囲繞する複数のクラッド層、単一のクラッド層内の複数の離散コア領域（または「コア」）、または複数のクラッド層によって囲繞される複数のコアを有する。
【００１５】
本明細書で、「光学要素」とは、電磁放射線を再指向し、反射し、屈曲し、または任意の他の様式で光学的に操作する、レンズ、鏡、プリズム、格子、および同等物のうちのいずれかを指し得る。本明細書で、ビームエミッタ、エミッタ、またはレーザエミッタ、またはレーザは、電磁ビームを生成するが、自己共振である場合もあり、そうではない場合もある、半導体要素等の任意の電磁ビーム生成デバイスを含む。これらはまた、ファイバレーザ、ディスクレーザ、非ソリッドステートレーザ等も含む。概して、各エミッタは、後反射表面と、少なくとも１つの光学利得媒体と、前反射表面とを含む。光学利得媒体は、電磁スペクトルの任意の特定の部分に限定されないが、可視光、赤外線、および／または紫外線であり得る、電磁放射線の利得を増加させる。エミッタは、複数のビームを放出するように構成されるダイオードバー等の複数のビームエミッタを含んでもよい、または本質的にそれらから成ってもよい。本明細書の実施形態で受容される入力ビームは、当技術分野で公知である種々の技法を使用して組み合わせられる、単波長または多波長ビームであってもよい。加えて、「レーザ」、「レーザエミッタ」、または「ビームエミッタ」の言及は、本明細書では、単一ダイオードレーザだけではなく、また、ダイオードバー、レーザアレイ、ダイオードバーアレイ、および単一またはアレイの垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む。
【００１６】
ある側面では、本発明の実施形態は、底部アノード冷却器と、上部アノード冷却器とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、レーザパッケージを特徴とする。底部アノード冷却器は、少なくとも部分的にそれを通して、ポートを通して冷却流体の噴射を形成するための複数のポートを画定する。上部アノード冷却器は、底部アノード冷却器の上方に配置される。上部アノード冷却器は、レーザエミッタをその上に受容するためのレーザプラットフォームを備える、または画定する。上部アノード冷却器は、陥凹をその中に画定する。陥凹は、レーザプラットフォームの真下に配置される。陥凹は、底部アノード冷却器のポートに面する衝突表面を有し、それによって、底部アノード冷却器の中に導入され、ポートを通して噴射される、冷却流体は、上部アノード冷却器の衝突表面に衝打し、レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタを冷却する。
【００１７】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。底部アノード冷却器および／または上部アノード冷却器の少なくとも一部は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ＣｕＷ、タングステン、ＷＣ（炭化タングステン）、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、および／またはＳｉＣを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターン（例えば、隆起および／または陥凹テクスチャ、粗度、および／または隆起および／または陥凹形状の特徴のセット）を画定してもよい。パターンは、複数のディンプル、複数の溝、および／または複数のスタッドを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定してもよい。パッケージは、上部アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器を含んでもよい。カソード冷却器の一部は、懸架してもよく、上部アノード冷却器のレーザプラットフォームに接触し得ない。ポートは、衝突表面から離間され、混合チャネルを形成してもよい。パッケージは、底部アノード冷却器を通して、（ｉ）ポートを通して混合チャネルの近位端の中に冷却流体を伝導させるための入口ラインと、（ｉｉ）混合チャネルの遠位端から冷却流体を伝導させるための出口ラインとを含んでもよい。混合チャネルは、約０．０１ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲から選択された高さを有してもよい。ポートの中心間間隔は、約０．１ｍｍ〜約８ｍｍの範囲から選択されてもよい。ポートのうちの少なくとも１つの直径（または幅または長さ等の他の側方寸法）は、約０．０２５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲から選択されてもよい。ポートのうちの少なくとも１つの直径に対する混合チャネルの高さの比は、約０．１〜約３０の範囲から選択されてもよい。上部アノード冷却器および／または底部アノード冷却器の熱膨張係数は、約０．５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍまたはさらに約３ｐｐｍ〜約１０ｐｐｍの範囲から選択されてもよい。パッケージは、レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタを含んでもよい。レーザエミッタは、それぞれが複数の離散ビーム（例えば、レーザビーム）を放出し、放出するように構成される、１つ以上のダイオードバーを含む、またはそれらから本質的に成ってもよい。
【００１８】
別の側面では、本発明の実施形態は、ビームエミッタと、集束光学素子と、分散要素と、部分反射出力結合器と、底部アノード冷却器と、上部アノード冷却器とを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、波長ビーム組み合わせレーザシステムを特徴とする。ビームエミッタは、複数の離散ビーム（例えば、レーザビーム）を放出し、第１および第２の対向表面を有してもよい。集束光学素子は、複数のビームを分散要素上に集束させる。分散要素と集束光学素子との間の距離は、集束光学素子の焦点距離に近似対応してもよい（他の実施形態では、本距離は、集束光学素子の焦点距離未満であるかまたは該焦点距離を上回る）。分散要素は、集束ビームを受信し、受信された集束ビームを分散させる。部分反射出力結合器は、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して（すなわち、出力結合器を通して、例えば、多波長ビームを用いて処理される、またはそれに曝される、ワークピースに向かって）多波長出力ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させるように位置付けられる。分散されたビームの第２の部分は、ビームエミッタにビームに関するフィードバックとして伝搬し、各ビームをその個々の波長に留め得る。異なるビームの波長は、相互に異なり得る。底部アノード冷却器は、少なくとも部分的にそれを通して、ポートを通して冷却流体の噴射を形成するための複数のポートを画定する。上部アノード冷却器は、底部アノード冷却器の上方に配置される。上部アノード冷却器は、ビームエミッタをその上に受容するためのレーザプラットフォームを備える、または画定する。上部アノード冷却器は、陥凹をその中に画定する。陥凹は、レーザプラットフォームの真下に配置される。陥凹は、底部アノード冷却器のポートに面する衝突表面を有し、それによって、底部アノード冷却器の中に導入され、ポートを通して噴射される、冷却流体は、上部アノード冷却器の衝突表面に衝打し、レーザプラットフォーム上に配置されるビームエミッタを冷却する。
【００１９】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。分散要素は、回折格子（例えば、反射格子または透過格子）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターン（例えば、隆起および／または陥凹テクスチャ、粗度、および／または隆起および／または陥凹形状の特徴のセット）を画定してもよい。パターンは、複数のディンプル、複数の溝、および／または複数のスタッドを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定してもよい。パッケージは、上部アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器を含んでもよい。カソード冷却器の一部は、懸架してもよく、上部アノード冷却器のレーザプラットフォームに接触し得ない。カソード冷却器の一部は、ビームエミッタにわたって配置され、それと熱接触してもよい。
【００２０】
さらに別の側面では、本発明の実施形態は、アノード冷却器と、レーザエミッタを受容するためのアノード冷却器上のレーザプラットフォームと、アノード冷却器とレーザプラットフォームとの間の混合チャネルとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、レーザパッケージを特徴とする。混合チャネルは、レーザプラットフォームと熱接触する衝突表面と、混合チャネルを横断して衝突表面と反対側の噴射アレイとを含む。噴射アレイは、それを通して冷却流体の噴射を形成するための複数のポートを含み、それによって、アノード冷却器の中に導入され、ポートを通して噴射される、冷却流体は、衝突表面に衝打し、レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタを冷却する。
【００２１】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。混合チャネルは、部分的または実質的に完全に、アノード冷却器内に封入されてもよい。アノード冷却器の少なくとも一部は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、ＣｕＷ、タングステン、ＷＣ（炭化タングステン）、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、および／またはＳｉＣを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターン（例えば、隆起および／または陥凹テクスチャ、粗度、および／または隆起および／または陥凹形状の特徴のセット）を画定してもよい。パターンは、複数のディンプル、複数の溝、および／または複数のスタッドを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定してもよい。パッケージは、アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器を含んでもよい。カソード冷却器の一部は、懸架してもよく、アノード冷却器のレーザプラットフォームに接触し得ない。混合チャネルは、約０．０１ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲から選択された高さを有してもよい。ポートの中心間間隔は、約０．１ｍｍ〜約８ｍｍの範囲から選択されてもよい。ポートのうちの少なくとも１つの直径（または幅または長さ等の他の側方寸法）は、約０．０２５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲から選択されてもよい。ポートのうちの少なくとも１つの直径に対する混合チャネルの高さの比は、約０．１〜約３０の範囲から選択されてもよい。アノード冷却器の熱膨張係数は、約０．５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍ、またはさらに約３ｐｐｍ〜約１０ｐｐｍの範囲から選択されてもよい。パッケージは、レーザプラットフォーム上に配置されるレーザエミッタを含んでもよい。レーザエミッタは、それぞれが複数の離散ビーム（例えば、レーザビーム）を放出し、放出するように構成される、１つ以上のダイオードバーを含む、またはそれらから本質的に成ってもよい。
【００２２】
別の側面では、本発明の実施形態は、ビームエミッタと、集束光学素子と、分散要素と、部分反射出力結合器と、アノード冷却器と、ビームエミッタを受容するためのアノード冷却器上のレーザプラットフォームと、アノード冷却器とレーザプラットフォームとの間の混合チャネルとを含む、それから本質的に成る、またはそれから成る、波長ビーム組み合わせレーザシステムを特徴とする。ビームエミッタは、複数の離散ビーム（例えば、レーザビーム）を放出し、第１および第２の対向表面を有してもよい。集束光学素子は、複数のビームを分散要素上に集束させる。分散要素と集束光学素子との間の距離は、集束光学素子の焦点距離に近似対応してもよい（他の実施形態では、本距離は、集束光学素子の焦点距離未満または該焦点距離を上回る）。分散要素は、集束ビームを受信し、受信された集束ビームを分散させる。部分反射出力結合器は、位置付けられ、分散されたビームを受信し、分散されたビームの一部をそれを通して（すなわち、出力結合器を通して、例えば、多波長ビームを用いて処理される、またはそれに曝される、ワークピースに向かって）多波長出力ビームとして伝送し、分散されたビームの第２の部分を分散要素に向かって反射させる。分散されたビームの第２の部分は、ビームエミッタをビームに関するフィードバックとして伝搬し、各ビームをその個々の波長に留め得る。異なるビームの波長は、相互に異なり得る。混合チャネルは、レーザプラットフォームと熱接触する衝突表面と、混合チャネルを横断して衝突表面と反対側の噴射アレイとを含む。噴射アレイは、それを通して冷却流体の噴射を形成するための複数のポートを含み、それによって、アノード冷却器の中に導入され、ポートを通して噴射される、冷却流体は、衝突表面に衝打し、レーザプラットフォーム上に配置されるビームエミッタを冷却する。
【００２３】
本発明の実施形態は、種々の組み合わせのいずれかにおいて、以下のうちの１つ以上のものを含んでもよい。分散要素は、回折格子（例えば、反射格子または透過格子）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、噴射される冷却流体の冷却効果を向上させるためのパターン（例えば、隆起および／または陥凹テクスチャ、粗度、および／または隆起および／または陥凹形状の特徴のセット）を画定してもよい。パターンは、複数のディンプル、複数の溝、および／または複数のスタッドを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。衝突表面の少なくとも一部は、レーザプラットフォームの機械的安定性を向上させるための複数の支柱を画定してもよい。パッケージは、アノード冷却器にわたって配置される、カソード冷却器を含んでもよい。カソード冷却器の一部は、懸架してもよく、レーザプラットフォームに接触し得ない。カソード冷却器の一部は、ビームエミッタにわたって配置され、それと熱接触してもよい。
【００２４】
これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の利点および特徴とともに、以下の説明、添付図面、および請求項の参照を通して、明白となるであろう。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互排他的ではなく、種々の組み合わせおよび順列で存在し得ることを理解されたい。本明細書で使用されるように、用語「実質的に」は、±１０％、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。「本質的に〜から成る」という用語は、本明細書で別様に定義されない限り、機能に寄与する他の材料を除外することを意味する。それでもなお、そのような他の材料が、集合的または個別に、微量で存在し得る。本明細書では、「放射線」および「光」という用語は、別様に指示されない限り、同義的に利用される。本明細書では、「下流」または「光学的に下流」という用語は、第１の要素に遭遇した後に光ビームが衝打する第２の要素の相対配置を示すために利用され、第１の要素は、第２の要素の「上流」または「光学的に上流」にある。本明細書では、２つの構成要素の間の「光学距離」は、光ビームによって実際に移動される２つの構成要素の間の距離であり、光学距離は、例えば、鏡からの反射、または構成要素のうちの一方から他方まで移動する光によって受けられる伝搬方向の他の変化による、２つの構成要素の間の物理的距離と等しくあり得るが、必ずしもその必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
図面では、類似参照記号は、概して、異なる図の全体を通して同一の部品を指す。また、図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証することに重点が置かれている。以下の説明では、以下の図面を参照して、本発明の種々の実施形態が説明される。
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施形態による、レーザエミッタのための２つの部品から成るアノード冷却器の斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、図１の２つの部品から成るアノード冷却器およびカソード冷却器を組み込む、レーザパッケージの斜視図である。
【図３】図３Ａ−３Ｃは、それぞれ、本発明の実施形態による、底部アノード冷却器の斜視図、上面図、および底面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態による、底部アノード冷却器内の開口部によって形成される流体噴射の概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の実施形態による、上部アノード冷却器の側面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの上部アノード冷却器の断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ｂの断面図の拡大部分である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、図５Ａの上部アノード冷却器の底面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施形態による、上部アノード冷却器の底面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの上部アノード冷却器の断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明の実施形態による、上部アノード冷却器の底面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃの上部アノード冷却器の断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態による、レーザパッケージの側面／断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態による、パッケージ化されたレーザを組み込む、波長ビーム組み合わせレーザシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、本発明の実施形態による、２つの部品から成るアノード冷却器１００を描写する。示されるように、冷却器１００は、底部アノード冷却器１２０の上部に据え付けられる、上部アノード冷却器１１０を含む、それから本質的に成る、またはそれから成る。上部アノード冷却器１１０は、典型的には、その上にレーザエミッタ（明確にするために図示せず）が配置される、プラットフォーム１３０を特徴とする。プラットフォーム１３０は、所望のレーザエミッタ（例えば、ダイオードバー）を収容するようにサイズ決めされ成形されてもよい。示されるように、プラットフォーム１３０は、レーザエミッタの意図される放出方向において、上部アノード冷却器の他の部分の上方に若干隆起されてもよい。上部アノード冷却器１１０はまた、典型的には、少なくとも動作の間、１つ以上のねじまたは他の締結具を介して、底部アノード冷却器１２０に締結される。他の実施形態では、上部および底部アノード冷却器１１０、１２０は、例えば、溶接、はんだ、またはろう付け等の技法を利用してともに取り付けられ、それによって、一体型の１つの部品から成るアノード冷却器を形成する。さらに他の実施形態では、上部および底部アノード冷却器１１０、１２０は、本明細書に詳述される上部および底部アノード冷却器１１０、１２０の特徴を有する、１つの部品から成るアノード冷却器によって置換されてもよい。そのような１つの部品から成る冷却器は、固体金属片から機械加工されてもよい。したがって、本明細書では、「上部アノード冷却器」および「底部アノード冷却器」の言及は、種々の実施形態では、単一材料片から機械加工されるか、または実質的に恒久的にともに締結される（例えば、溶接、はんだ、またはろう付け、または同等物によって）、複数の部品として加工されるかのいずれかである、一体型「アノード冷却器」の対応する部分を指すと見なされ得る。
【００２８】
以下により詳細に説明されるように、底部アノード冷却器１２０は、それを通して冷却流体（例えば、水）が、流動し、レーザエミッタ直下の上部アノード冷却器１１０上の内部衝突表面上に衝突する、冷却噴射のアレイを組み込む。冷却流体の噴射は、レーザエミッタを冷却し、それによって、性能および信頼性を改良し、および／またはより高い電流（したがって、より高い出力）動作を可能にする。上部アノード冷却器１１０および／または底部アノード冷却器１２０の全部または一部は、銅、ＣｕＷ、タングステン、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、ＳｉＣ、および／またはＷＣ等の１つ以上の材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。種々の実施形態では、上部および／または底部アノード冷却器１１０、１２０の全部または一部は、アルミニウム、銅、またはステンレス鋼等の別の材料を含む、それから本質的に成る、またはそれから成り、上部および／または底部アノード冷却器１１０、１２０の少なくとも一部は、ＣｕＷ、タングステン、ＷＣ、アルミナ、ムライト、ダイヤモンド、ＳｉＣ、または流体誘発腐食および／または浸食に抵抗する１つ以上の他のコーティング材料等の１つ以上の材料のコーティングでコーティングされる。
【００２９】
図２は、図１の２つの部品から成るアノード冷却器１００を組み込み、上部アノード冷却器１１０およびレーザエミッタプラットフォーム１３０（したがって、動作時、レーザエミッタ自体の少なくとも一部）にわたって配置される、カソード冷却器２００を追加する、レーザパッケージ１５０を描写する。カソード冷却器２００は、付加的熱をレーザエミッタから離れるように伝導させることによって、パッケージ化されたデバイスの熱性能を改良し得る。カソード冷却器２００はまた、パッケージ化されたデバイスの機械的安定性を改良し、それによって、パッケージ化、バーンイン、および／または動作の間、レーザエミッタの変形を最小限にまたは実質的に排除し得る。カソード冷却器２００は、受動的に冷却してもよい、すなわち、１つ以上の内部チャネルを組み込み、冷却流体をそれを通して伝導させてもよい。カソード冷却器２００は、上部および底部アノード冷却器１１０、１２０に関して上記に規定された材料のうちの１つ以上のものを含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい、または上部および底部アノード冷却器１１０、１２０に関して規定された材料のうちの１つ以上のものでまたは１つ以上の他の材料でコーティングされた１つ以上の付加的材料（例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。他の実施形態では、カソード冷却器２００は、銅（例えば、コーティングされていない銅）を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい。
【００３０】
図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、それぞれ、本発明の種々の実施形態による、底部アノード冷却器１２０の斜視図、上面図、および底面図である。示されるように、底部アノード冷却器１２０は、概して、直線で囲まれた形状であってもよく、上部アノード冷却器１１０に対するおよび／または下層基板またはマウントまたはレーザシステム内の他のハードウェアに対する底部アノード冷却器１２０の接続のための１つ以上の貫通孔３００を特徴としてもよい。底部アノード冷却器１２０の上部表面の少なくとも一部３１０は、それを通して冷却流体が上部アノード冷却器１１０に向かって指向される、開口部（または「ポート」）３２０のアレイを画定する。底部アノード冷却器１１０の本部分は、本明細書では、「能動的冷却部分」３１０とも称される。開口部３２０は、略円筒形であってもよく、開口部３２０の断面積は、その厚さを通して略一定であってもよい。他の実施形態では、開口部３２０のうちの１つ以上のものの側壁は、テーパ状になり、ノズルを形成する。種々の実施形態では、開口部３２０の中心間間隔は、約０．１ｍｍ〜約８ｍｍに及ぶ。種々の実施形態では、開口部３２０の直径（または他の側方寸法、例えば、実施形態では、非円形開口部を特徴とする幅）は、約０．０２５ｍｍ〜約５ｍｍに及ぶ。底部アノード冷却器１２０の能動的冷却部分３１０は、略長方形であってもよく、底部アノード冷却器１２０の上部表面の残りの部分と略同一平面であってもよい。他の実施形態では、図３Ａに示されるように、能動的冷却部分３１０は、例えば、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍだけ底部アノード冷却器１２０の上部表面の残りの部分から上向きに延在する。底部アノード冷却器１２０はまた、（以下により詳細に議論されるように）底部アノード冷却器１２０を通して、能動的冷却部分３１０を通して、上部アノード冷却器１１０に向かって流動し、底部アノード冷却器１２０から流出する（例えば、能動的冷却部分の外周に近接する１つ以上の開口部を介して）、冷却流体の入口および出口のための通路３３０を特徴とする。動作時、底部アノード冷却器１２０の中へ、それを通して、かつそこから外への冷却流体の流動は、パルス状または実質的に連続であってもよい。
【００３１】
図４は、底部アノード冷却器１２０内の開口部３２０のうちの１つによって形成される、単一冷却流体噴射４００の概略を描写し、ノズルの端部（本発明の実施形態では、上向きに面するが、図４では、下向きに面する）は、距離ｚ０だけ、それに向かって冷却流体が流動する、衝突表面（例えば、上部アノード冷却器の衝突表面の少なくとも一部）から離間される。開口部３２０と衝突表面との間の本距離ｚ０は、その中で冷却流体が開口部３２０から噴射され、衝突表面（したがって、その上に配置されるレーザエミッタ）を冷却する、底部アノード冷却器１２０と上部アノード冷却器１１０との間に形成される「混合チャネル」の高さを画定する。種々の実施形態では、混合チャネルは、衝突表面もまた含むと見なされ得る。ノズルは、直径ｄを有する。本発明の種々の実施形態によると、ｄに対するｚ０の比は、約０．１〜約３０であるように選択される。ノズル直径に対するノズル距離のそのような比は、種々の実施形態では、ノズルを通して流動する噴射から発生された乱流を介して、冷却流体の熱性能を改良することが見出されている。本範囲外の比は、冷却流体の不十分な乱流、混合、および冷却作用をもたらし得る。種々の実施形態では、能動的冷却部分は、複数の異なる開口部３２０を特徴とする。そのような実施形態では、開口部３２０間の間隔は、各開口部から噴射される冷却流体の十分な混合をもたらし、噴射の停滞域を最小限にするかまたは実質的に排除する（図４に描写されるように）。すなわち、近隣噴射からの乱流および／または混合冷却流体は、噴射からの冷却作用を改良し、その逆も同様であり得る。
【００３２】
図５Ａおよび５Ｄは、それぞれ、本発明の種々の実施形態による、上部アノード冷却器１１０の側面図および底面図である。示されるように、図５Ｂは、図５Ａの図上の線５Ｂ−５Ｂを通した断面図であって、図５Ｃは、図５Ｂの一部の拡大図である。示されるように、上部アノード冷却器１１０は、レーザエミッタを支持するための略平面上部プラットフォーム１３０を有する。レーザエミッタプラットフォーム１３０の下方において、上部アノード冷却器１１０は、上部および底部アノード冷却器がともに添着されるとき、底部アノード冷却器１２０の能動的冷却部分３１０を受容するための陥凹５００を画定する。陥凹５１０は、底部アノード冷却器１２０の能動的冷却部分３１０の全部または一部を収容するようにサイズ決めされ成形される、下側部分５０２を有してもよい。種々の実施形態では、下側部分５２０の厚さ５０３は、能動的冷却部分３１０が底部アノード冷却器１２０の上部表面の残りの部分の上方に突出する、高さと略等しい。陥凹５１０はまた、能動的冷却部分３１０によって生産された冷却液体噴射を受容するための上側部分５０５を有してもよい。
【００３３】
陥凹５００の上側表面の少なくとも一部は、底部アノード冷却器１２０の能動的冷却部分３１０によって上向きに指向される冷却流体の噴射を受容するための衝突表面５１０を形成する。衝突表面５１０と上部アノード冷却器１１０の上部表面（その上にレーザエミッタが配置される）との間の間隔５２０は、典型的には、非常に小さく、それによって、噴射の冷却有効性を向上させる。種々の実施形態では、本間隔５２０は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍに及ぶ。
【００３４】
図５Ｂおよび５Ｃに示されるように、上部アノード冷却器１１０の衝突表面５１０の少なくとも一部は、その上に指向される噴射の冷却効果を向上させるために修正（すなわち、成形）されてもよい。例えば、衝突表面５１０は、レーザエミッタに向かって上向きに指向される１つ以上のディンプル５３０を画定し、衝突表面５１０の薄化成形領域を効果的に作成してもよい。ディンプル５３０（または他の形状）は、例えば、０．００１ｍｍ〜１．８ｍｍの高さ５４０を有してもよい。ディンプル５３０は、図５Ｄでは、円形として描写され、規則的パターンで分散されるが、種々の実施形態では、ディンプル５３０は、他の形状を有してもよく、単一上部アノード冷却器１１０内に種々の異なる形状を有してもよく、かつ種々の異なる間隔または幾何学形状のいずれかにおいて分散および／または離間されてもよい。
【００３５】
衝突表面５１０はまた、上部アノード冷却器１１０内の陥凹の幅を横断して延在する、１つ以上の支柱５５０を画定してもよい。支柱５５０は、上部アノード冷却器１１０の１つ以上の囲繞部分の厚さを上回る厚さ５６０を有する、上部アノード冷却器１１０の一部によって画定される（例えば、冷却流体噴射の熱性能を改良するように成形または別様に薄化されてもよい）。種々の実施形態では、上部アノード冷却器１１０内の陥凹５００の中の１つ以上の支柱５５０の存在は、レーザエミッタの組立および／または動作の間、上部アノード冷却器１１０の機械的強度（例えば、変形に抵抗する）を改良する。種々の実施形態によると、支柱５５０は、約０．０１ｍｍ〜約６．２ｍｍに及ぶ、支柱高さ５６０（すなわち、衝突表面の囲繞部分の上方の範囲の距離）を有してもよい。支柱５５０は、約０．０４５ｍｍ〜約６ｍｍに及ぶ、支柱幅５７０を有してもよい。種々の実施形態では、近隣支柱間の間隔５８０は、約０．２５ｍｍ〜約３．６ｍｍに及んでもよい。支柱５５０は、図５Ｄでは、長方形であって、一定幅を有するように描写されるが、種々の実施形態では、支柱５５０は、他の形状を有してもよい。種々の実施形態では、上部アノード冷却器１１０は、支柱５５０を組み込まない。図５Ｄに示されるように、上部アノード冷却器１１０はまた、上部アノード冷却器１１０および底部アノード冷却器１２０の継合を促進するための１つ以上の貫通孔５９０を特徴としてもよい。
【００３６】
図６Ａおよび６Ｃは、本発明の付加的実施形態による、上部アノード冷却器１１０の付加的例示的実施形態の底面図である。示されるように、図６Ｂは、線６Ｂ−６Ｂに沿った図６Ａの断面図であって、図６Ｄは、線６Ｄ−６Ｄに沿った図６Ｃの断面図である。図６Ａに示されるように、上部アノード冷却器１００の衝突表面５１０は、間隔６１０において離間される陥凹溝６００のパターンを形成するように修正されてもよい。種々の実施形態では、間隔６１０は、約０．０１ｍｍ〜約２．８ｍｍに及んでもよい。図６Ｃに示されるように、上部アノード冷却器１００の衝突表面５１０は、隆起（すなわち、上部アノード冷却器１１０の上部表面から離れるように）スタッド６２０のパターンを形成するように修正されてもよい。示されるように、スタッド６２０は、略正方形または長方形断面であってもよく、規則的パターンまたはグリッドで配列されてもよい。各スタッド６２０の幅（または他の側方寸法）は、例えば、０．１ｍｍ〜５ｍｍに及んでもよい。隣接するスタッド６２０間の間隔は、例えば、０．１ｍｍ〜５ｍｍに及んでもよい。図６Ａおよび６Ｃの実施形態はまた、上記に説明され、図５Ｂ−５Ｄに示されるように、１つ以上の支柱５５０を特徴としてもよい。
【００３７】
図７は、本発明の実施形態による、図２の斜視図に対応する、組み立てられたレーザパッケージ１５０の断面／側面図である。示されるように、レーザパッケージ１５０は、上部および底部アノード冷却器１１０、１２０および上層カソード冷却器２００を特徴とする。カソード冷却器２００および上部アノード冷却器は、その間に、レーザエミッタをその中に受容するための開口部７００を画定する。開口部内に受容されると、レーザエミッタは、底部アノード冷却器１２０から発出し、上部アノード冷却器１１０の衝突表面５１０に衝打する、冷却流体噴射を介して冷却される。図７に示されるように、上部アノード冷却器１１０の衝突表面５１０と底部アノード冷却器１２０の能動的冷却部分３１０の上側表面との間の距離７１０は、前述され、図４に描写される、距離ｚ０に対応する。
【００３８】
本発明の実施形態による、パッケージ化されたレーザエミッタ（例えば、ダイオードバー）は、ＷＢＣレーザシステム内で利用されてもよい。図８は、パッケージ化されたレーザ８０５を利用する、例示的ＷＢＣレーザシステム８００を描写する。パッケージ化されたレーザ８０５は、例えば、本明細書に詳述されるように、レーザパッケージ１５０内に配置される、または２つの部品から成るアノード冷却器１００の上方に配置される、１つ以上のレーザエミッタに対応してもよく、熱管理（例えば、冷却）のために、本明細書に詳述されるように、能動的冷却区分３１０によって生産された１つ以上の流体噴射を利用してもよい。図８の実施例では、レーザ８０５は、ビーム８１０を放出する、４つのビームエミッタを有する、ダイオードバーを特徴とする（拡大された入力図８１５参照）が、本発明の実施形態は、任意の数の個々のビームを放出するダイオードバーまたは２次元アレイまたはスタックのダイオードまたはダイオードバーを利用してもよい。図８１５では、各ビーム８１０は、線によって示され、長さ、すなわち、線のより長い寸法は、ビームの低速発散寸法を表し、高さ、すなわち、より短い寸法は、高速発散寸法を表す。コリメーション光学素子８２０は、各ビーム８１０を高速寸法に沿ってコリメートするために使用されてもよい。１つ以上の円筒形または球状レンズおよび／またはミラーを含む、またはそれらから本質的に成ってもよい、変換光学素子８２５は、各ビーム８１０をＷＢＣ方向８３０に沿って組み合わせるために使用される。変換光学素子８２５は、次いで、組み合わせられたビームを分散要素８３５（例えば、反射または透過回折格子等の回折格子を含む、それから本質的に成る、またはそれから成ってもよい）上に重複させ、組み合わせられたビームは、次いで、単一出力プロファイルとして、出力結合器８４０上に伝送される。出力結合器８４０は、次いで、出力正面図８５０上に示されるように、組み合わせられたビーム８４５を伝送する。出力結合器８４０は、典型的には、部分反射され、この外部キャビティシステム８００内の全てのレーザ要素のための共通正面ファセットとして作用する。外部キャビティは、二次ミラーが各レーザエミッタの放出開口またはファセットから離れた距離において変位される、レージングシステムである。いくつかの実施形態では、付加的光学素子が、放出開口またはファセットと出力結合器または部分反射表面との間に設置される。出力ビーム８４５は、光ファイバの中に結合され、および／または溶接、切断、焼鈍等の用途のために利用されてもよい。
【００３９】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の観点として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の均等物のいずれかを除外する意図はなく、種々の修正が、請求される本発明の範囲内で可能であることを認識されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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